黨瑞榮，姜海潮，韓宏軍，孫婭婭

(西安石油大學(xué)，陜西西安 710065)

隨著能源需求的不斷增強(qiáng)，石油勘探和開發(fā)技術(shù)的快速發(fā)展，油田的主力厚油層已全面見水，各大油田相繼進(jìn)入采出液高含水5段。原油含水率作為油田開采、原油生產(chǎn)煉化、制定鉆井計(jì)劃中的重要決策數(shù)據(jù)之一，其準(zhǔn)確測(cè)量可用于合理評(píng)估油井產(chǎn)能，追蹤油井儲(chǔ)層變化，以便后續(xù)及時(shí)依照實(shí)際情況制定開采方案，從而節(jié)省人力物力，使油井始終處于最佳生產(chǎn)狀態(tài)?；诖斯I(yè)背景，研制出一種適用于自動(dòng)化石油工業(yè)發(fā)展、適用于油井開采中后期高含水現(xiàn)狀的高精度測(cè)含水儀器顯得尤為必要。

現(xiàn)5段，我國油井產(chǎn)出液含水率測(cè)量手段主要分為人工離線法及在線測(cè)量法，多采用人工離線的蒸餾法。而蒸餾法作為一種實(shí)驗(yàn)室測(cè)量法，精確度高，但由于其需要采樣，測(cè)量時(shí)間間隔長(zhǎng)，樣品代表性較差，不具備實(shí)效性，浪費(fèi)人力物力，不能滿足油田逐漸向現(xiàn)代化、智能化發(fā)展的要求。目前，自動(dòng)化的在線測(cè)量方法越來越被人們所關(guān)注，但受制造工藝及測(cè)量原理等因素的限制性，其應(yīng)用范圍及條件都有不可修復(fù)的局限性，不同測(cè)量方法比較(見表1)。

表1 不同在線原油含水率測(cè)量方法比較

在線測(cè)量原油含水率體系中，射頻法通過混合流體中因含水不同所體現(xiàn)出的相對(duì)介電常數(shù)變化，間接測(cè)量油田產(chǎn)出液的含水率。根據(jù)此原理研制出的測(cè)量裝置，由于響應(yīng)快，造價(jià)低，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易操作，十分適用于我國現(xiàn)5段油田現(xiàn)場(chǎng)。本文提出一種基于射頻幅值法的原油含水率測(cè)量系統(tǒng)，進(jìn)行射頻法含水率測(cè)量傳感器的優(yōu)化設(shè)計(jì)，確定出該裝置的最佳工作頻率；并通過一系列室內(nèi)實(shí)驗(yàn)測(cè)試所得數(shù)據(jù)的分析及計(jì)算，證明該方法性能可靠，具有可行性[1-6]。

1 電磁波在混合介質(zhì)傳輸特性

由于常溫常壓情況下，純油的介電常數(shù)為2.5左右，純水約為80，兩者相差較大，導(dǎo)致不同含水量下的油水混合液的介電常數(shù)隨之發(fā)生改變。當(dāng)對(duì)混合介質(zhì)施加垂直方向的電場(chǎng)時(shí)，相對(duì)介電常數(shù)作為介質(zhì)的一種微波特性，因含水不同而發(fā)生改變，應(yīng)用最廣泛的如式(1)所示：

式中：D-含水率；ε1、ε2-純油、純水介電常數(shù)。

但由于油水兩相混合時(shí)狀態(tài)與結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，根據(jù)油水結(jié)構(gòu)不同可分為油包水，水包油，同時(shí)還會(huì)受流速，溫度等影響，可等效為電極化場(chǎng)不同取向狀態(tài)方便計(jì)算，常溫常壓下，相對(duì)介電常數(shù)如式(2)所示：

式中：k-常數(shù)，由油水混合液含水率決定。

經(jīng)式(2)計(jì)算，不同含水百分比下混合液相對(duì)介電常數(shù)(見表2)，變化曲線(見圖1)。

表2 不同含水百分比油水混合液相對(duì)介電常數(shù)

圖1 不同含水百分比油水混合液相對(duì)介電常數(shù)

又因純油與純水都為絕緣體，但由于有大量礦物質(zhì)成分存在于混合流體內(nèi)含的地層水中，使產(chǎn)出液具備導(dǎo)電性。假設(shè)均勻平面電磁波傳入σ≠0的油水混合介質(zhì)中時(shí)，其傳播特性與介質(zhì)的電參數(shù)(介電常數(shù)、電導(dǎo)率)有關(guān)。對(duì)于油水混合物而言，電磁波振幅與相位的損耗主要取決于其相對(duì)介電常數(shù)。又因水分子極化程度極強(qiáng)，波會(huì)因含水不同而在介質(zhì)中傳播時(shí)隨時(shí)間推移產(chǎn)生不同程度的明顯衰減，且磁場(chǎng)相位相較于電場(chǎng)產(chǎn)生滯后(見圖2)。

損耗程度依據(jù)電磁場(chǎng)理論可知，有衰減常數(shù)α與相位常數(shù)β，分別如式(3)、(4)所示：

式中：ω-角速度, 且 ω=2πf；μr、εr、σr-介質(zhì)的相對(duì)電參數(shù)，由油水混合比例決定。

圖2 油水混合液中沿z方向傳播的電磁場(chǎng)

因此依據(jù)理論，可通過電磁波在導(dǎo)電的油水混合物中傳播時(shí)產(chǎn)生的幅值或相位損耗，間接得到油井產(chǎn)出原油的含水?dāng)?shù)據(jù)。

2 測(cè)量系統(tǒng)確定

為能動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)管道內(nèi)原油含水狀態(tài)，該測(cè)量系統(tǒng)使用平行的雙單極子全向天線作為傳感器置于管道內(nèi)，并將電磁波發(fā)射至油水混合物中，系統(tǒng)框架(見圖3)。系統(tǒng)需采用主控單元激勵(lì)射頻發(fā)生電路，從而在發(fā)射機(jī)天線加載射頻信號(hào)。

電能經(jīng)發(fā)射機(jī)單極子天線轉(zhuǎn)換為可輻射至介質(zhì)中的電磁波，在油水混合介質(zhì)內(nèi)傳播時(shí)產(chǎn)生衰減，損耗后電磁波產(chǎn)生相應(yīng)的幅值衰減和相位移動(dòng)可通過接收機(jī)感應(yīng)。通過外接電路將衰減后信號(hào)與原產(chǎn)生信號(hào)傳入幅值檢波器中進(jìn)行檢測(cè)及比較，經(jīng)接收電路，及一系列信號(hào)處理后，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)為數(shù)字信號(hào)，最終得到系統(tǒng)含水響應(yīng)數(shù)值并輸出。

圖3 原油含水率測(cè)量框架圖

其中，傳感器的材質(zhì)需盡量選擇導(dǎo)電性能好、電阻率低的金屬材料，如銀、銅、鋁。出于今后將投入工業(yè)生產(chǎn)的考慮，需要降低成本，以及鋁材質(zhì)更適用于制作八木天線的考慮，本系統(tǒng)采用25 cm的實(shí)心銅棒作為發(fā)射及接收機(jī)天線。檢測(cè)電路采用芯片AD8302，它是一款相位對(duì)比檢測(cè)芯片，內(nèi)部自帶溫度補(bǔ)償，輸入頻率范圍可達(dá)到100 kHz～1 000 MHz。該芯片可將傳感器上相位差轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)輸出，檢測(cè)公式如式(5)。

式中：VPHS-最終所得電壓信號(hào)；Φ(VINA)、Φ(VINB)-端口接收的原始信號(hào)和傳感器傳來的高頻信號(hào)。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試及分析

為進(jìn)一步分析天線發(fā)出電磁波與油水混合介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)關(guān)系，客觀了解系統(tǒng)測(cè)試能力，利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有平臺(tái)，搭建測(cè)試系統(tǒng)，設(shè)計(jì)出兩套實(shí)驗(yàn)。

(1)在發(fā)射機(jī)天線上加載不同射頻值，目的是測(cè)試出能使油水混合物介電常數(shù)呈現(xiàn)最大區(qū)分。多次測(cè)試不同頻率下純油與純水的系統(tǒng)響應(yīng)值并取平均值，再取絕對(duì)值后的幅值變化差值，數(shù)據(jù)(見表3)，變化曲線(見圖4)。

表3 不同頻率下的純油純水響應(yīng)值

圖4 不同頻率下純油純水響應(yīng)值

結(jié)果表明，在20 MHz～30 MHz范圍內(nèi)，發(fā)射機(jī)天線發(fā)射電磁波的幅值損耗在含水率為0的純油及含水率為100%的純水中表現(xiàn)出最大差異。出于對(duì)發(fā)射功率及k激勵(lì)源選擇的考慮，最終選擇30 MHz作為激勵(lì)頻率。

(2)確定頻率為30 MHz，將純油與純水按照五種不同比例混合制成實(shí)驗(yàn)液，測(cè)試在不同含水率的油水混合液下本測(cè)量系統(tǒng)的工作狀態(tài)，對(duì)其性能進(jìn)行進(jìn)一步剖析，從而驗(yàn)證該測(cè)量系統(tǒng)的準(zhǔn)確性及可行性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果(見表4、圖5)。

表4 不同含水油品區(qū)分度

圖5 不同含水油品下區(qū)分度變化

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)在測(cè)量低含水及高含水率時(shí)區(qū)分度約為100 mV，能保持線性，基本能滿足現(xiàn)場(chǎng)需求。根據(jù)數(shù)據(jù)可知，其中含水范圍內(nèi)該測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果不夠理想。同時(shí)，此數(shù)據(jù)對(duì)比不同頻率下純油純水的系統(tǒng)響應(yīng)值也有所差別，通過分析得，導(dǎo)致此不穩(wěn)定問題的原因可能是由于傳感器長(zhǎng)時(shí)間直接接觸被測(cè)介質(zhì)，被稠油覆蓋影響測(cè)量結(jié)果，后續(xù)可通過設(shè)計(jì)介電常數(shù)不干擾測(cè)量系統(tǒng)的傳感器保護(hù)套，以使系統(tǒng)的穩(wěn)定性得到提高。

4 結(jié)論

(1)本文提出的測(cè)量系統(tǒng)構(gòu)建幅值信號(hào)的檢測(cè)模型，結(jié)合射頻法及電磁衰減法，消除傳統(tǒng)方法測(cè)量范圍有限、不連續(xù)測(cè)量的缺點(diǎn)，適用于測(cè)量我國現(xiàn)5段高含水油田的產(chǎn)出液含水率。后續(xù)設(shè)計(jì)可進(jìn)行傳感器參數(shù)優(yōu)化，減少誤差，提高穩(wěn)定性及準(zhǔn)確性。

(2)將油水混合介質(zhì)置于傳感器中，使混合介質(zhì)通過時(shí)電磁波的衰減信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量。通過實(shí)驗(yàn)可知，油水混合物含水率與幅值衰減呈顯著線性關(guān)系，可利用牛頓插值法，繼續(xù)進(jìn)行輸出響應(yīng)值的線性擬合，更直觀顯示含水?dāng)?shù)值。

(3)根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知該儀器在20%～60%含水率測(cè)量中誤差較大，可能由于此時(shí)油的流動(dòng)狀態(tài)影響與水的融合情況較為復(fù)雜，需進(jìn)一步深入研究?？煽紤]多傳感器融合技術(shù)，在該范圍使用適合于中含水5段，但易受礦化物影響的，同為電參數(shù)測(cè)量方法的電導(dǎo)法原油含水率測(cè)量傳感器。

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